Piikarbidin rakenne ja sovellukset

Piikarbidi eli SiC on erittäin vahva ja kestävä materiaali, jolla on ainutlaatuisia sähköisiä ominaisuuksia.

Kiteinen hiili voi kiteytyä tiheästi pakkautuneiksi rakenteiksi, jotka ovat kovalenttisesti sidoksissa toisiinsa. Sen atomit muodostavat kaksi primaarista koordinaatiotetraedriä, joiden kummassakin kulmassa on neljä hiili- ja neljä piiatomia, jotka yhdistyvät kulmiensa kautta muodostaen polytyyppisiä rakenteita, joita kutsutaan polytyypeiksi.

Fysikaaliset ominaisuudet

Piikarbidi on erittäin kova materiaali, jonka Mohsin kovuusluokitus on 9-10. Se sijoittuu alumiinioksidin ja timantin väliin. Piikarbidia käytetään laajalti hiontamateriaalina nykyaikaisessa lapidariassa, hionta- ja työstötoiminnoissa, teollisuusuunien tulenkestävänä vuorauksena, leikkuutyökaluina, pumppujen ja rakettimoottoreiden kulutusta kestävinä osina, skeittilaudan kulutusta kestävänä pitoteippinä sekä karborundum-painossa, jossa alumiinilevylle levitetään karborundum-hiukkasia ja painetaan ne sitten paperille valssilevypainokoneilla (Mountain).

Synteettisiä polykarbonaatteja voidaan valmistaa synteettisesti joko reaktiosidonta- tai sintrausprosesseilla, joista jälkimmäistä tehostetaan lisäämällä sintrauksen apuaineeksi 0,5% hiiltä tai 0,5% booria pintadiffuusion estämiseksi ja raerajojen energian muuttamiseksi (Mountain).

SiC on vaikuttava teollinen keraaminen materiaali, jolla on monipuoliset mekaaniset ominaisuudet, jotka tekevät siitä korvaamattoman arvokkaan erilaisissa teollisuusympäristöissä. Koska sen lämmönjohtavuus on korkea ja lämpölaajeneminen on vähäistä, sen käyttö maanpäällisten sähköajoneuvojen voimansiirtojärjestelmien tehoelektroniikassa on yleistynyt entisestään. Lisäksi SiC:n sähköiset ominaisuudet voivat korvata perinteiset piipuolijohteet korkeamman jännitteen sovelluksissa, kuten sähköajoneuvojen ajovaihtosuuntaajissa ja latausasemien DC/DC-muuntimissa.

Kemialliset ominaisuudet

Piikarbidiin voidaan lisätä typpeä ja fosforia n-tyyppisten puolijohteiden muodostamiseksi, kun taas beryllium, boori, alumiini ja gallium voidaan lisätä siihen p-tyyppisten puolijohteiden muodostamiseksi. Piikarbidi on tiiviin ja symmetrisen rakenteensa ansiosta ihanteellinen alusta dopingille.

Tulenkestävä materiaali on kovaa, haurasta ja lämpöä johtavaa. Se kestää korkeita lämpötiloja ja jännitteitä, ja sen alhainen lämpölaajenemiskerroin tarjoaa etuja, kun sitä käytetään sovelluksissa, joissa lämpötila vaihtelee.

Vaikka luonnollista moissanitea (Csi3SiO6) löytyy meteoriiteista ja kimberliitistä, suurin osa nykyään myytävästä piikarbidista on synteettistä. Se on kemiallisesti inerttiä, sillä se kestää orgaanisten happojen ja emästen aiheuttamaa korroosiota, lukuun ottamatta fluorivetyhappoa ja rikkihappoa; se on liukenematon veteen tai muihin liuottimiin, mutta liukenee sulaan emäksiseen aineeseen, kuten NaOH:hon tai KOH:hon.

Sähköiset ominaisuudet

Piikarbidi (SiC) on puolijohdemateriaali, joka sijaitsee metallien (jotka johtavat sähköä) ja eristeiden (jotka eivät johda sähköä) välissä. SiC:n sähköiset ominaisuudet riippuvat lämpötilasta ja sen koostumukseen sisältyvistä epäpuhtauksista: matalissa lämpötiloissa se toimii eristeenä, kun taas korkeammissa lämpötiloissa sen johtavuus on huomattava. SiC:n johtavuutta voidaan edelleen parantaa lisäämällä alumiini-, boori- tai galliumepäpuhtauksia, jotka lisäävät vapaita varauksenkuljettajia ja muuttavat SiC:n P-tyypin puolijohteeksi.

Saven fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien yhdistelmä tekee siitä houkuttelevan materiaalin eri teollisuudenaloilla, aina kulumiskestävyyttä ja jarrulujuutta parantavista keraamisista levyistä sen korkeaan lämmönjohtavuuteen ja alhaiseen laajenemiskertoimeen, jotka mahdollistavat sen käytön korkean lämpötilan sovelluksissa.

Lisäksi sen ainutlaatuinen kaistaleveys mahdollistaa sen toiminnan korkeammilla jännitteillä ja taajuuksilla kuin perinteisen piipohjaisen elektroniikan, mikä tekee siitä täydellisen materiaalin teholaitteille, kuten diodeille, transistoreille ja tyristoreille.

Lämpöominaisuudet

Piikarbidi (SiC) on epäorgaaninen keraaminen aine, jolla on erinomaiset lämpöominaisuudet, joten se soveltuu moniin eri sovelluksiin. Piikarbidia käytetään sovelluksissa, jotka vaihtelevat kulutusta kestävistä osista ja hioma-aineista sen kovuuden vuoksi, tulenkestävissä aineissa ja keramiikassa sen lämmönkestävyyden ja alhaisen lämpölaajenemisen vuoksi sekä elektroniikassa, jossa se pystyy johtamaan sähköä äärimmäisissä lämpötiloissa.

SiC on tehokas lämmönjohdin, koska sen timanttikuutiomainen kiderakenne, jossa puolet atomeista on korvattu piillä, tarjoaa erinomaisen lämmönjohtavuuden. SiC:llä on tehokas kaistaleveys, jonka ansiosta elektronit voivat helposti liikkua sen valenssi- ja johtumiskaistojen välillä verrattuna eristeisiin, jotka vaativat liikaa energiaa, jotta elektronit ylittäisivät kaistojensa välisen raon.

SiC:n kiderakenne voi olla erimuotoinen, niin sanottu polytyyppi. Kukin polytyyppi koostuu kerroksista, jotka on pinottu tiettyyn pinoamisjärjestykseen, joka johtaa ainutlaatuisiin atomijärjestelyihin - tämä antaa SiC:lle erittäin korkean ominaislämmön ja alhaisen lämpölaajenemiskertoimen.